等离子体破裂防护快速充气阀性能研究

　　托卡马克装置在放电过程中经常会发生破裂现象。破裂会对装置造成很大的危害。为了满足在实验先进超导托卡马克( EAST) 装置上开展高压气体注入来缓解等离子体破裂研究的需求, 基于涡流驱动的等离子体破裂防护快速充气阀已经在中科院等离子体物理研究所研制成功, 该阀的成功研制为在EAST 上面开展高压气体注入来缓解等离子体破裂研究提供了有效的工具。为了更加精确地测量快阀的响应时间并对其流量进行标定, 搭建了基于磁栅尺的测试平台来测量快阀的响应时间, 并编写了相应的测试程序, 测试结果表明快阀得到触发信号后在0.5 ms 时间内就可以开启, 其流量可以从0~ 70000PaL 之间方便进行调节, 其响应时间及流量完全可以满足等离子体破裂防护对充气系统的要求。

　　核聚变是解决人类能源危机问题的一劳永逸的方法, 托卡马克( TOKAMAK) 是目前最有可能实现核聚变能利用的装置, 在托卡马克等离子体放电过程中, 由于磁流体不稳定性等原因, 破裂事件经常发生, 等离子体破裂会使装置第一壁及其他结构遭受局部超热负载、强电磁力作用、高能逃逸电子等三大危害, 因此等离子体破裂的避免及缓解已经成为目前托卡马克研究中的一个重要的研究方向。研究发现, 在热淬灭之前向等离子体内部注入一定量的杂质气体( 主要是惰性气体) 可以很大程度上缓解由于破裂所带来的各种危害。基于涡流驱动的快速充气阀首先在TEXTOR 装置上研制成功, 其性能完全可以满足等离子体破裂防护的需求。为了方便在实验先进超导托卡马克( EAST) 装置上开展高压气体注入( Massive Gas Injection, MGI) 实验来缓解等离子体破裂的研究, 中科院等离子体物理研究所也成功研制了与TEXTOR 装置类似的靠涡流驱动的、不受磁场干扰的快速充气阀, 目前该阀已经成功地应用于上轮的EAST 试验中, 取得了理想的效果。为了更精确地研究该阀的性能, 采用了一种非接触式的位移测量工具- 磁栅尺来进行快阀响应时间的测量, 并编写了相应的采集程序使数据采集更加的精确、方便; 同时为了标定快阀的流量与电压及气压的关系, 搭建了一套快阀充气量标定平台, 对快阀的流量进行了精确的标定。

快阀

　　根据电磁感应的原理, 当线圈中有变化电流通过时, 线圈周围的导体就会有电磁力的作用, 基于该原理, 本文研制成功了一种脉冲式快速充气阀, 其结构如图1 所示。

图1 快阀的结构

　　该阀体分为两个腔室: 工作腔室及被压腔室, 两个腔室中都充满高压气体, 根据不同的工作要求, 气压可以方便调节, 其阀芯部分为图中所示的铝制工字型阀芯, 在阀芯底部有一平板螺旋线圈, 在初始时, 在腔室气压的作用下, 阀处于关闭状态, 当有强脉冲电流通过平板螺旋线圈时, 根据电磁感应原理,铝制阀芯就会受到一个强脉冲电磁斥力, 该电磁力可以达到几千牛顿, 足以克服气体的压力把阀芯打开, 由于该力为脉冲力, 因此, 当该力消失后, 阀芯就会在被压气体的压力作用下回到初始状态, 完成一次脉冲充气。

　　该阀有以下优点:：响应时间快, 由于脉冲电磁力可以达到几千牛顿以上, 因此阀开启速度非常快;流量大; 不受磁场干扰, 由于阀芯为铝材料制成, 铝是一种非铁磁性材料, 在强稳态磁场及缓慢变化的磁场中不会受影响, 因此该阀非常合适在托卡马克环境中工作。

测试结果

　　应用磁栅尺测得的快阀开关特性曲线如图6 所示, 0 时刻为快阀的触发时刻, 从该图上可以看出,快阀得到触发后, 大约0.5 ms 后, 阀芯开始运动, 也就是说快阀的响应时间为0.5ms, 过了大约9 ms, 阀芯运动的最大距离, 整个工作时间为17 ms 左右, 改变阀芯不同的背部压力来进行测量, 阀芯的响应时间也在0.5 ms 左右, 阀芯所受被压的改变只是改变了阀芯的最大行程及整个过程持续的时间, 从而改变了快阀的流量。从响应时间整个指标来看, 该快阀完全可以满足破裂防护对充气系统响应时间的要求。

图6 快阀的开关特性曲线

　　快阀的流量与工作电压及工作气压的关系曲线如图7 所示, 从图中可以看出, 在相同的电压条件下, 改变气压值, 获得的曲线形式是类似的, 通过调节气压及电压, 快阀的单脉冲充气量可以从1~70000 PaL 之间进行调节, 完全可以满足EAST 装置上开展等离子体破裂缓解实验对气量的要求。虽然电源设计指标为5000 V, 但为了安全考虑, 电压只加到4000 V 左右。

图7 快阀的流量与电压及气压的关系

　　综上所述, 快阀的响应时间及气体流量都完全满足等离子体破裂防护对充气系统的要求, 该系统的成功研制为EAST 开展等离子体破裂缓解研究工作提供了坚实可靠的工具, 更为ITER 开展类似的工作具有借鉴意义。